Metabolismo

Metabolismo de los glúcidos

La ruta de Entner-Doudoroff es una ruta metabólica alternativa que cataboliza glucosa a piruvato usando una serie de enzimas distintos a la glucólisis y a la ruta de la pentosa fosfato.

Es exclusiva de un número reducido de microorganismos carentes de la ruta Embden-Meyerhof. El 6-fosfogluconato puede deshidratarse a 2-ceto-3-desoxi-6-fosfogluconato. Este compuesto puede desdoblarse luego en piruvato y gliceraldehido-3-fosfato mediante una aldolasa. Mediante esta ruta se produce menos NADPH que en situación en la que el 6-fosfogluconato es descarboxilado a ribulosa-5-fosfato. Adicionalmente, el gliceraldehido-3-P se oxida a piruvato por la vía de Embden-Meyerhof, descarboxilándose en ambos casos el piruvato y originando acetato.

El resultado general de la ruta Etner Doudoroff es el siguiente:

Glucosa (C6) + ADP + NAD+ + NADP+ => 2 piruvato (C3) + ATP + NADH + NADPH + 2H+

los NADH (poder reductor) se dirigen a la cadena transportadora de electrones, produciendo por cada mol de NADH 1.5 mol de ATP.

Hay unas pocas bacterias que sustituyen la glucólisis clásica con la vía de Entner-Doudoroff. Pueden carecer de enzimas esenciales para la glucólisis, como fosfofructoquinasa-1 . Esta vía se encuentra generalmente en Pseudomonas , Rhizobium , Azotobacter , Agrobacterium , y algunos otros géneros Gram-negativas. Muy pocas bacterias Gram-positivas tienen esta vía, con Enterococcus faecalis siendo una rara excepción. [ 2 ] La mayoría de los organismos que utilizan la vía son aerobios , debido a la baja producción de ATP por glucosa. [ 3 ] Pseudomonas , [ 4 ] un género de bacterias Gram-negativas Azotobacter , [ 5 ] un género de bacterias Gram-negativas Rhizobium , [ 6 ] un género de bacterias Gram-negativas Agrobacterium , [ 7 ] un género de bacterias Gram-negativas Escherichia coli , [ 4 ] una bacteria Gram-negativa Enterococcus faecalis , [ 8 ] una bacteria Gram-positiva Zymomonas mobilis , [ 3 ] una bacteria Gram-negativos anaerobios facultativos Xanthomonas campestris , [ 9 ] una bacteria Gram negativa que utiliza esta vía como camino principal para el suministro de energía.

Todo el mundo sabe que el coste de una obra de teatro además del trabajo de los actores incluye a mucho personal entre bambalinas. El coste termodinámico de una ruta metabólica también incluye un coste entre bambalinas, el coste proteómico de la síntesis de sus enzimas. Nos lo recuerda un nuevo artículo en PNAS que estudia en procariotas la ruta metabólica de la glucólisis, la síntesis de energía (moléculas de ATP) oxidando glucosa. La ruta metabólica estándar para la glucólisis es la de Embden-Meyerhoff-Parnass (EMP), que contiene 10 reacciones enzimáticas y cuyo producto son dos moléculas de ATP. Sin embargo, hay otras rutas para la glucólisis en procariotas, siendo la más común la ruta de Entner-Doudoroff (ED), que produce una sola molécula de ATP, pero sólo tiene 6 reacciones enzimáticas. Avi Flamholz (Instituto Weizmann de Ciencia, Rehovot, Israel) y sus colegas afirman que la prevalencia de la ruta ED en procariotas es debido a que requiere menos enzimas (6 en lugar de 10); este resultado lo han obtenido tras un análisis termodinámico de la cinética química de estas rutas metabólicas que incluye el coste termodinámico de la producción de las enzimas (normalmente despreciado en este tipo de análisis). El nuevo estudio nos recuerda que las bambalinas también existen en el metabolismo celular. Nos lo cuentan Arion I. Stettner, Daniel Segrè, “The cost of efficiency in energy metabolism,” PNAS, AOP May 31, 2013, quienes se hacen eco del artículo técnico de Avi Flamholz et al., “Glycolytic strategy as a tradeoff between energy yield and protein cost,”PNAS, AOP Apr 29, 2013.

La estequiometría química de las rutas metabólicas de Embden-Meyerhof-Parnas (EMP) y Entner-Doudoroff (ED) parece indicar que la ruta EMP es más óptima que la ruta ED ya que produce dos veces más ATP para la misma cantidad de glucosa. En la primera etapa de la ruta EMP, la glucosa es fosforilada dos veces, consumiendo dos ATP, mientras que en ruta ED sólo es fosforilada una vez. Se cree por ello que la ruta ED es filogenéticamente más antigua que la ruta EMP (de hecho, es la dominante entre los eucariotas). Además, se cree que la ruta EMP es un refinamiento evolutivo de la ruta ED para optimizar su rendimiento (o eficiencia). Sin embargo, esta optimización tiene un costo enzimático mucho mayor.

Flamholz et al. miden el coste enzimático en cada ruta metabólica utilizando la relación de Haldane aplicada a la cinética enzimática de Michaelis-Menten; esta relación muestra de forma explícita la cantidad de enzima necesaria para la reacción química. Han aplicado un algoritmo de optimización con restricciones (cuyo código está diponible en la web y aparece en la información suplementaria de acceso gratuito) para demostrar que la ruta de EMP tiene un coste en proteínas 3,5 veces mayor que la ruta ED. Este mayor coste enzimático conlleva un alto consumo de proteoma (algo ya reconocido por autores anteriores en Escherichia coli y Saccharomyces cerevisiae). Como la ruta EMP tiene una alta producción de ATP a costa de una costosa maquinaria enzimática, nos podemos preguntar ¿por qué los procariotas prefieren la ruta ED y los eucariotas la EMP? Como siempre, la dinámica evolutiva conlleva ciertos compromisos y el coste enzimático es más relevante en seres vivos más simples (como los procariotas), en los que el efecto de laepistasis es menor.

En mi opinión, el nuevo trabajo de Flamholz et al. nos recuerda que no siempre lo que está más a la vista es lo más relevante y que los enfoques holísticos en biología de sistemas nos van a ofrecer gran número de sorpresas a la hora de entender la complejidad del metabolismo de los seres vivos.